Construção de Compiladores. Construção de Compiladores. Motivação. Motivação. Contexto Histórico. Classificações: Gerações 09/03/2010

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1 Construção de Compiladores Prof. Raimundo Santos Moura ( Construção de Compiladores Livro-Texto: AHO, Alfred V.; ULLMAN, Jeffrey D.; SETHI, R. Compiladores: princípios, técnicas e ferramentas. Rio de Janeiro: LTC, Notas de aula do Professor André Santos ( Requisitos: Conhecimento de programação C, C++ ou Java Motivação Conhecimento das estruturas e algorítmos usados na implementação de linguagens: noções importantes sobre uso de memória, eficiência, etc. Aplicabilidade freqüente na solução de problemas que exigem alguma forma de tradução entre linguagens ou notações. Implementação de linguagens para um domínio específico. Geradores e analisadores de código. Motivação A disciplina de compiladores faz uso de um grande número de conceitos estudados em outras disciplinas do curso: linguagens de programação, algorítmos, linguagens formais, arquitetura, engenharia de software. Contexto Histórico Demanda por linguagens de mais alto nível que linguagem de máquina e assembler. Nos anos 1950, compiladores eram programas notadamente difíceis de se escrever. Avanço teórico e de técnicas e ferramentas de implementação tornaram possível implementar compiladores muito mais facilmente. Classificações: Gerações 1 Linguagens de máquina 2 Linguagens de montagem (Assembly languages) 3 Fortran, Cobol, Lisp, C, C++, C#, Java 4 SQL, Postscript (Domain Specific Languages) 1

2 Classificações: Paradigma Imperativo como Conceito de estado e comandos que mudam o estado C, C++, C#, Java Declarativo o quê ML, Haskell, Prolog Classificações Von Neumann: C, Fortran, Pascal Orientadas a Objetos: Simula 67, Smalltalk, C++, C#, Java, Ruby Scripting Languages: Awk, JavaScript, Perl, PHP, Python, Ruby, Tcl Fundamentos de Linguagens de Programação Estático x Dinâmico: Estático: em tempo de compilação Dinâmico: em tempo de execução Exemplos: C: float n1, n2; JAVA: public static int x; JAVA: public int x; Compilador Programa que lê um programa escrito em uma linguagem (fonte) e o traduz para uma outra linguagem (destino), reportando erros quando eles ocorrem. Compilador x Tradutor Linguagens Linguagem fonte: C, Pascal, Java, Fortran, etc. Linguagem destino: linguagem de máquina (assembler) de um processador, de uma máquina virtual (e.g. Java ou.net), ou qualquer outra linguagem (e.g. C). Processadores de Linguagens: Compilador Compilador Programa destino 2

3 Execução de um programa Processadores de Linguagens: Interpretador entrada Programa destino saída entrada Interpretador saída Compilador Híbrido JAVA Sistema de processamento de uma linguagem preprocessador assembler Tradutor modificado Código de máquina relocável Programa intermediário entrada Máquina Virtual saída compilador Linker / Loader Bibliotecas / código objeto Programa objeto em assembly Código de máquina executável Programas auxiliares do processo de compilação Preprocessadores: processam macros, incluem de arquivos, suportam compilação condicional e extensão de linguagens. Assemblers: servem como uma pequena abstração da arquitetura da máquinadestino. São na realidade um tradutor /compilador simples, de dois passos, que gera código relocável. Programas auxiliares do processo de compilação (cont.) Carregadores (loaders) e linkeditores (linkers) Ajustam o código relocável, resolvem referências externas. 3

4 Compilação: Análise e Síntese Análise: quebra o código fonte em suas partes, e cria uma representação intermediária do programa. Verifica erros e constrói tabela de símbolos. Fases de um compilador stream de caracteres árvore sintática Analisador léxico Ger. de código intermediário stream de tokens representação intermediária Analisador sintático Otimizador de código Síntese: Constroi o programa-destino a partir da representação intermediária. árvore sintática Analisador semântico representação intermediária Gerador de código Código de máquina Análise do programa fonte Análise: front-end do compilador (até geração de código intermediário) Síntese: back-end do compilador Análise léxica lê a seqüencia de caracteres e a organiza como tokens sequencias de caracteres com algum significado Análise sintática agrupa caracteres ou tokens em uma estrutura hierárquica com algum significado Análise semântica verifica se os componentes de um programa se encaixam de forma a ter um significado adequado. Programas baseados em análise Editores de programa dirigidos à sintaxe (comuns nos IDEs, como no Eclipse e Visual Studio) Pretty-printers Interpretadores Exemplo do processo de compilação Livro-texto, exemplos 1.1, 1.2 e 1.3? 4

5 Análise léxica ou Scanning Lê os caracteres de entrada e agrupa-os em sequências chamadas lexemas. Para cada lexema o analisador léxico produz como saída um token da forma <nome do token, valor do atributo> que é passado para a fase seguinte. Exemplo position = initial + rate * 60 <identificador, 1> <=> <identificador, 2> <+> <identificador, 3> <*> <number, 60> Tabela de Símbolos identificador tipo 1 position 2 initial Análise sintática ou parsing A partir dos tokens cria uma estrutura em árvore (árvore sintática) que representa a estrutura gramatical do programa. 3 rate Árvore Sintática position = initial + rate * 60 = <id,1> + Análise semântica Verifica o programa em relação a possíveis erros semânticos e guarda informações adicionais <id,2> <id,3> * 60 5

6 Exemplo: verificação de tipos Análise Semântica A expressão x = x <id,1> = + está sintaticamente correta, mas pode estar semanticamente certa ou errada, dependendo do tipo de x. <id,2> * <id,3> inttofloat 60 Código intermediário Idealmente deve ser fácil de produzir e também de traduzir para a linguagem-destino. Na prática, se está gerando código para uma máquina abstrata. Por exemplo, Three-address-code: usa três operandos por instrução, cada um como se fosse um registrador. Código intermediário - exemplo t1 = inttofloat(60) t2 = id3 * t1 t3 = id2 + t2 id1 = t3 Otimização de código Realiza transformações no código visando melhorar sua performance em aspectos de tempo de execução, uso de memória, tamanho do código executável etc. Otimização de código - exemplo t1 = inttofloat(60) t2 = id3 * t1 t3 = id2 + t2 id1 = t3 t2 = id3 * 60.0 id1 = id2 + t2 6

7 Geração de código Realiza a alocação de registradores (se necessária) e a tradução do código intermediário para a linguagem-destino. Geração de código LDF R2, id3 MULF R2, R2, #60.0 LDF R1, id2 ADDF R1, R1, R2 STF id1, R1 Tabela de Símbolos Estrutura de dados usada para guardar identificadores e informações sobre eles: alocação de memória, tipo do identificador, escopo (onde é válido no programa) se for um procedimento ou função: número e tipo dos argumentos, forma de passagem dos parâmetros e tipo do resultado. Tabela de Símbolos identificador tipo 1 position 2 initial 3 rate Organizando fases em passos Fases: visão lógica de um compilador Em uma implementação as fases podem ser agrupadas em um ou mais passos Passos: número de vezes em que se passa pelo mesmo código. Por exemplo, em um assembler são necessários pelo menos dois passos. Separação entre front-end e back-end para criação de múltiplos compiladores C Pascal código intermediário x86 Fortran C# 7

8 Separação entre front-end e back-end para criação de múltiplos compiladores Pascal código intermediário Separação entre front-end e back-end para criação de múltiplos compiladores C Pascal código intermediário Fortran C# ARM MIPS ARM MIPS x86.net x86.net Ferramentas auxiliares para a construção de compiladores Scanner generators, baseados em expressões regulares. Exemplo: lex Parser generators, baseados em gramáticas livres de contexto. Exemplo: yacc Mecanismos de tradução dirigida por sintaxe, geram rotinas para navegar na parse tree e gerar código intermediário Geradores de gerador de código (template matching) Mecanismos de análise de fluxo de dados (essencial para a otimização de código) Toolkits de construção de compiladores 8